CN106820830A - 一种智能识别卧姿并智能调节高度的枕头 - Google Patents

Abstract

本发明是一种智能识别卧姿并智能调节高度的枕头，属自动控制在人类生活必需品的应用。按逢变即检、随姿而调、随人而变、位变不变、姿变必变、定时待机控制机制，经6套独立电路和气路，将四种卧姿颈部与头部气囊压力与高度数据组合作为卧姿判断基础。通过手机与枕头对话，存储各种姿态、部位颈部与头部气囊压力的“学***移、空置变换，按控制机制与算法，将气囊内的实时力数据与存储的“学***铺式多元气囊在电路气路控制下，负责颈部与头部压力的采集与精准升降。平铺式高低设备舱将所有设备置入，实现“全集成”，避免拖挂，方便移动与携带。

Description

一种智能识别卧姿并智能调节高度的枕头

一、技术领域

本发明涉及一种智能识别卧姿并智能调节高度的枕头。利用现代微电脑技术、传感技术、控制技术、通信技术、显示技术等手段，打造的一种智能识别卧姿并智能调节高度的枕头，构成人类生活必需(农、轻、医)品的应用，属自动控制与互联网领域。具体地说，涉及一种自动化的智能枕头。

二、背景技术

1、枕头的发展史

枕头是人类进化和长期生活经验积累的产物。汉代许慎在《说文解字》说：“枕，卧所荐首者。从木。”从字形字义分析，最早的枕头应该是木制的。现在能看到的最早枕具实物为战国的木枕。

枕头的历史是相当悠久的。如《论语》中的“曲肱面枕之”，《诗经》中的“辗转伏枕”、《孔雀东南飞》中的“结发共枕席”等，早有关于枕头的记载。

原始社会时期，古人类可能就近随便拣一块石头、一根木头、一束柴草、一张兽皮，或手臂弯曲而垫于首下，作为睡觉时的枕物，这就是最初的枕头雏形。

2、枕头的发展历程

大致可以划分为四个发展历程。

第一次革命--自然取物枕。从远古时代，找个石头、木头、木棒、枕凳当枕头，奢华家庭也有使用玉石、贵重木材、绸缎制作的高等枕头；

第二次革命--手工业生产枕。从近现代到当代，用布料、荞麦壳、棉花、决明子、薰衣草、中药等填充物构成的天然材料枕头，或藤类材料编织物手工制造的枕头；

第三次革命--工业化生产枕。由天然乳胶、人造乳胶、聚氨酯发泡塑料(别名如：惰性海绵、慢回弹海绵、记忆海绵、零压海绵、太空记忆海绵、智慧海绵等)等大批量工业化大生产制造的“工业”枕头；

第四次革命--自动化智能枕。利用现代微电脑技术、传感技术、控制技术、通信技术、显示技术等手段，打造的自动控制的枕头，具有个性化、自动化、智能化、人机对话等特征。

3、枕头的重要性

缺乏科学性并对人体骨骼生长产生严重后果。其形状不符合颈椎正常形态需要，日积月累的使用还会破坏颈椎的生理曲线，以及生理曲张度，使颈椎生理曲线变直或反张，从而导致颈椎肌肉、韧带及关节等的不协调受力，久之则形成慢性劳损而发生骨刺和颈椎病。从古代的绘画、泥塑、木雕、石刻，凡是出现人物的造型大多是缩颈伛偻屈背的形态，与古人普遍使用高枕的不良习惯有着密切的因果关系。

枕头对于头颅的形状也起重要作用，如有的小儿头部扁平不对称，有的呈方形，有的后脑勺突起等，与枕头的硬度和睡姿密切相关。

短时间的枕头不当亦可对人体造成不良的影响，如落枕。反复落枕是颈椎病发病的一个重要因索。

枕头是人们生活的必需品。据英国曼彻斯特大学杰森教授的计算，人一生中至少有23年以上的时间是在枕头上度过的，某些长期卧床的病人则时间更长。在这漫长的20多年中，枕头的形状、大小、高度、硬度及睡眠的姿势将会对人体的健康产生巨大的影响。

4、国内外枕头的发展及现状

(1)枕头的相关专利

《一种高度可调的充气枕头》公开号：CN2425589。本实用新型提供一种可调式充气枕头，包括：枕套、填充物、橡皮管、气阀、充气皮球；其特征是：填充物的中间设一橡皮气胆，橡皮气胆的表面与织物层胶合而成，其内设有橡皮隔层，橡皮气胆的一侧与橡皮管连接，本产品可以满足任何人对枕头高度的不同要求，还随时满足了不同睡姿对枕头高度的不同要求。

《可调整高度的枕头》公开号：CN2318926。本实用新型公开了一种可调节高度的枕头，该枕头由上、下两部分组成，上部为垫层(1)，下部为调节层(2)，垫层与普通枕头基本相似，枕心内装有木棉、薄绒或荞麦皮等松软材料(3)，在垫层的周围设有裙边(4)；调节层用覆布橡胶或其它柔韧塑料等材料制成，它类似一个气垫枕头形状，在调节层内设有环绕形气道(5)结构，在调节层环绕形气道的入气口设有一个带有泄气阀的小加压气球(6)。调节层的周围也设有裙边，在垫层裙边的下面与调节层裙边的上面分别相对应地安有连接用的尼龙搭扣(7)。枕头的垫层与调节层是通过它们裙边上的尼龙搭扣相连接的。

《可自动调高度的保健枕》公开号：CN2282375。本实用新型涉及一种枕头，尤其适于中老年人及颈椎病患者使用的保持枕。它主要是在枕套内设有一支承架，在该支承架的后侧板上水平枢接一对相啮合的扇形齿轮，在该两扇形齿轮上设有由刚性底板和两弹性侧板形成的插盘，又在支承架的后侧板上设有分别以一端固定连接在相应扇形齿轮齿缘下端的拉伸弹簧，另外，托盘上支承一枕芯。从而，可预防及辅助治疗颈椎病，同时使头部也感觉舒适。

《可自动调节睡枕高度的智能床的机械结构》公开(公告)号：CN203897828U。本实用新型涉及一种可自动调节睡枕高度的智能床的机械结构。在床头部位的下方安有一枕架主体，枕架主体内的中间位置设有一水平的升降板；在枕架主体内的侧面安有电动机；电动机通过联轴器、变速箱与一根转动杆连接；在转动杆的终端固定安装有伞齿轮，伞齿轮与圆锥齿轮相啮合；圆锥齿轮的中心垂直固定一转动轴，转动轴穿过升降板，转动轴上带有螺纹，与套在升降板内的螺纹相啮合；升降板背部固定有枕板支架，枕板支架顶部安装有睡枕托板。本睡枕设备能够随人体睡姿自动调节睡枕的高低，随时对睡眠中的人的颈部进行护理，从而提高了睡眠的舒适度和质量。长此可减少颈、脊椎病的发生。

《智能化调节高度的枕头》公开号：CN2345102。本实用新型包括枕皮、枕皮内的填充物、内置控制电路及电源的控制盒。填充物为场致伸缩材料，填充物的上下各设置上控制极膜和下控制极膜，上控制极膜上装有传感器，传感器的输出接控制电路的输入，控制电路的输出接控制极膜。控制电路根据传感器的输出调整加到控制极膜上的场强，使得场致伸缩材料伸长或缩短，枕高也随之抬高或降低。本实用新型根据人体头部对枕头的压力而自动调节枕头的高度，消除人们在睡眠中颈部的不适感，从而提高了睡眠质量。

《多层可调高度的健康枕》公开号：CN87203916。一种涉及人们生活保健用品领域的健康枕，其结构分基层和外层，基层可采用塑料、弹性乳胶、橡胶、木料和有填充物之织物等构成，外层为多层结构可做成2-6层，采用棉花、海绵、弹性乳胶、各种绒毛和中药(或含磁物质)做成，其高度可按人体生理的不同需要而调节-增厚或减薄，并在其纵横方向有切合人体枕部和颈部之生理弯度的元宝形凹陷。

《一种自动调整高度的枕头》公开号：CN86206621。一种自动调整高度的枕头，包括上框、下框，上下框之间有可自动调整高度的至少两组叉形支腿，各组叉形支腿之间通过上下设置的支腿轴连接，支腿按位置分为前后两组，一组支腿轴与上下框之间为转动连接，另一组支腿轴两端设有滑动结构，滑动结构分别在上下框上设置的上下滑道中滑动；叉形支腿还设置有弹性调节装置。在人体改变睡姿时，头部对枕面的压力也随之变，该压力与弹性装置的弹力协调作用，使得枕头的高度自动调节。本实用新型的枕头可以根据睡姿不同而自动改变高度，能够保证颈椎和脊柱的受力合理，避免颈椎受到损伤，且能对已经受损变形的颈椎具有保养的功效，长期使用，可以使变形颈椎复位，并可以保证具有高效、良好的睡眠。

《一种可调高度的枕头》。申请号：201420065220.8，该实用新型为了解决现有同类可调高度的枕头存在枕头高度的升高程度和降低程度无法预先设定，给使用带来不便，会产生睡着后降低的枕头高度不合适，结构不紧凑的缺陷。技术方案要点：特征包括枕垫、底座、枕垫升降装置、升降电驱动装置、控制电路和枕垫行程开关，其中枕垫升降装置设置在枕垫和底座之间，升降电驱动装置和控制电路设置在底座上，枕垫行程开关设置在枕头的枕垫运动路径上，升降电驱动装置与枕垫升降装置作驱动连接，枕垫行程开关与控制电路作电信号连接，控制电路与升降电驱动装置作电控制连接。

《一种枕头》申请号：201510751372.2。本发明属于生活用品领域，具体涉及一种枕头，包括高度可调整的枕体、控制器、检测***，其特征在于：所述检测模块包括通讯模块、处理模块、信号收发模块以及多个用于检测用户睡眠质量和身体状况的传感器，所述通讯模块、信号收发模块分别与处理模块连接，传感器与信号收发模块连接，传感器分别设置于枕体上的多个不同位置。

《一种可自动调节高度的护颈椎枕》公开号：CN2537305。一种可自动调节高度的护颈椎枕包括枕头，其特征在于所述枕头由相互隔置的上、下气枕及设于上、下气枕之间的可调节气枕高度的调节机构组成，所述上、下气枕分别设有独立的进气口和排气口，所述进气口设有通过气管相连的气泵，所述排气口设有通过气管相接的排气电磁阀。本实用新型由于在将枕头设计为带有上、下气枕的结构形式，使枕头可通过充气或排气的方式改变枕头的高度，来适应不同人体头部与肩部的相应位置，而外接于人体上的睡姿感应器使人体在改变睡姿时能及时将电信号传递到开关电路上，通过开关电路来控制气泵的开启与关闭。

(2)枕头相关产品

大朴智能止鼾枕头。这款智能止鼾枕由枕头、枕边设备和APP构成一套***。其中枕边设备集成了蓝牙、止鼾“聪明心”、本地算法中心和气泵等功能模块，通过对用户鼾声的个性化分析，对枕头发出“指令”。而枕头则内置感应气囊，一旦收到指令便可自动充气，调整用户姿势直到鼾声停止；而APP则用来记录睡眠过程中的打鼾时间及干预次数。

手动调整高度的思考枕(ThinkPillow)。Lovethink设计了一款枕头，是世界上第一款可调节的枕头。用户可以根据自己的需要，调节它的软硬高低。思考枕主要由两部分组成：一个是SmartCore，这是一个伸缩气囊，采用了德国的充气技术，它有两个调节球，按压右边的球，可以使枕头***和变高。按压左边的球，可以使它***和变矮。而另一个是SmartCushion，这是一个粒子软垫。里面填充着可流动的弹性小球颗粒，它的设计符合人体工程学原理，可以维持颈部和头部的之间的自然曲线，也不会对颈部造成任何压力，既保护颈椎，又能预防打鼾，这是普通的枕头所不能做到的。

可升降枕头。采用充气的方式，只需动动头就可以让枕头变高变低。

三、发明内容

1、自动识别卧姿并自动调节高度的智能枕设计原则

本发明的智能识别卧姿并智能调节高度的枕头，应全面展示智能枕的时代特征：

一是实时感知。通过各种传感器的数据采集，实时感知人体的头部位置，实时感知人体的卧姿(仰卧、侧卧、半仰卧、半俯卧)，实时记录使用者翻身次数、姿态持续时间，判断睡眠质量、疲劳度等指标，并在智能手机上实时显示定量的数据和定性评价。

二是区域调适。采用人体工程学理论，选用TPU环保材料，构建符合人体颈椎生理曲度的通体式多元结构气囊，解决适应不同体态(高大、矮小、胖、瘦)、不同姿态(仰卧、侧卧、半仰卧、半俯卧)条件下头部与颈部的高度，使使用者在姿态变化(平移、横滚)后的头部与颈部的自动调节。

三是高度智慧。将使用者任意姿态所产生的随机数据，与存储数据的对比、分析、判断，通过对枕头PID控制PWM输出等自动控制技术，实施对通体式多元结构气囊的充气排气，控制头部与颈部的物理高度，使使用者卧姿发生变化时，枕头自动将头部与颈部的高度调节到舒适高度，实现符合个人颈椎生理曲度的个性化、精细化、自动化、智能化的睡眠目标。

四是实行“全集成”。智能识别卧姿并智能调节高度的枕头全部设备、设施纳入枕头内部，实行一体化设计，枕头与外界通过无线通信方式进行，除预留USB充电接口外无任何物理连接，实现枕头的“全集成”。

五是人机对话。通过本地智能手机，在枕头使用初期，使用智能手机将各种卧姿枕头头部、颈部高度进行舒适性“学习”并记录；在枕头使用过程中，可在智能手机上记录使用者翻身次数、姿态持续时间等数据，并通过WI-FI(或WI-FI放大器，无线移动通信)网络，将使用者的睡眠状况实时传送监护人。

六是注重细节。选用流线型的创成式外观设计，用抗老化的高密度亲水高密度聚氨酯发泡塑料作为枕体，天鹅绒弹力材料为枕套，超低压直流供电作电源，超级防爆锂电池作备用电源，采用多重降噪和防辐射措施，多种中药药垫和永磁磁铁为保健材料，实现全集成、无外挂、个性化、自动化、智能化、多功能枕头的设计目标。

2、现有专利与产品存在问题

综合上述新型、枕头，发现有以下问题：

一是机械式升降枕头均存在机械磨损、机械噪音等问题。目前，申报专利和市售的可调节高度的枕头中，多见机械弹簧升降***、机械剪叉式升降***、扇形齿轮咬合升降***带动枕板的物理升降。无论手动升降、自动升降***，由于机械升降***普遍存在机械磨损问题；为减少机械磨损，以及机械结构间的摩擦声音，均需采用加注润滑油的方式解决。其结果是：机械可升降高度枕头增加了机械磨损和机械噪声，还产生了润滑油污染、干凅、润滑油吸尘等弊端。

二是场致伸缩材料升降***造价高昂，伸缩系数小。《智能化调节高度的枕头》公开号：CN2345102专利中，使用了“场致伸缩材料”。场致伸缩材料也称电致伸缩材料，是一种应力、应变与电场二次项相关的非线性材料，分为陶瓷电致伸缩材料(压电陶瓷)和聚合物电致伸缩材料两种。其中，聚合物电致伸缩材料的电致伸缩性能明显优于压电陶瓷材料。但由于此类材料属于高新智能聚合物精密材料，相对于机械、气动***，有造价高、伸缩率相对较低的劣势，在枕头中尚属首次应用，并不普及。行程开关控制枕头也存在造价高的问题。

三是手工充气枕头影响使用者睡眠或无法发挥使用功能。常见的充气枕头一般带有一个充气胶质气囊和一个排气胶质气囊，需要调整枕头高度时按压胶质气囊充气或调节管内的珠阀放气。此类枕头在使用者清醒时尚可使用，但在进入熟睡时，手动充气排气的功能形同虚设。

四是单气囊粗放型调节，存在有颈部和头部同步升降的问题。相关专利和市面上的充气枕头，多为单气囊结构，没有考虑和兼顾到不同卧姿(仰卧、半仰卧、侧卧、半俯卧)时头部与颈部的高度，多种卧姿仅有一种高度，未能实现头部与颈部高度的分别精确控制，难以满足人体颈部生理最佳曲度的要求，属于粗放型的控制。

五是多层聚氨酯发泡塑料枕头无法实现不同姿态时头部与颈部高度的控制。多层聚氨酯发泡塑料枕，虽然可以通过人工手段增减聚氨酯发泡塑料的层数调节高度，但无法实现不同姿态时头部与颈部高度的分别调节。

六是存在集成度不高，外设设备箱造成移动和携带的不便。常见的充气枕头，如《一种可自动调节高度的护颈椎枕》(公开号：CN2537305)是一种双气囊调节高度的护颈椎枕，可通过上、下气囊，分别调节人体头部与肩部的相应位置，随人体改变睡姿时分别调节头部和肩部的高度。根据人体生理工程学和气体流体力学，当气囊在头部、颈部的压力下，气囊内的气体将向其他方向流动，造成头部与颈部“下沉”，而头部与颈部外的部位“上翘”，气囊长度越长，“下沉”和“上翘”的情况越严重，严重影响气囊内压力与枕头高度的对应关系。该枕头由于实行气泵、电磁阀、控制电路外设，枕头与外设设备箱之间的电路、气路均采用多个电线、多个气管相连，不方便枕头的移动和携带。

3、需要解决的技术问题

一是解决不同体态使用者枕头整体高度的升降。

二是解决使用者不同卧姿时头部与颈部高度的分别调节。

三是解决不同卧姿变换的智能判断。

四是选用中医古方与永磁磁石，改善或缓解使用者的病痛。

五是解决相关设备、设施“全集成”问题。

六是解决枕头“全集成”后的电磁辐射、设备噪声、锂电池自燃或***等安全问题。

4、解决相关技术问题所采用的技术方案

(1)解决不同体态使用者枕头整体高度的升降问题

采用独立气嘴、独立气管、独立电磁阀构成的通体式多元结构气囊，实行“横向拉带”与“纵向拉带”相结合，构成不同方向上的膨胀系数，以满足高、矮、胖、瘦等不同体态使用者的颈椎生理曲度的需要，并兼顾不同人群对枕头高度的使用习惯。

(2)建立不同卧姿条件下头部与颈部高度的模型，实现头部与颈部高度的调节

通常，人的卧姿可分为仰卧、侧卧、俯卧、半仰卧、半俯卧五种姿态。研究成果认为，人体三种典型的卧姿是仰卧、侧卧和俯卧。半仰卧和半俯卧是仰卧与侧卧的“变形”，属于非典型卧姿，与仰卧和侧卧仅仅有“度”的区分。俯卧是一种不健康的卧姿，不主张采用，也不在考虑之列。

典型的卧姿之一：仰卧。相对于床而言，要求正投影时，颈椎与脊椎应该在一条直线上；而侧投影时，头部应稍向后张，颈椎形成特有的弧度，即颈部位置稍高，受力最大，头部位置稍低，受力稍小。

典型的卧姿之二：侧卧。相对于床而言，要求正投影时，头部应稍向后张，颈椎自然形成特有的弧度；而侧投影时，颈椎与脊椎应该在一条水平线上，即头部位置受力较大，颈部位置受力稍小。

半仰卧和半俯卧是仰卧与侧卧的“变形”兼有仰卧、侧卧和俯卧的特征。

由此可以判定：科学睡眠的枕头，应该由颈部支撑和头部支撑两部分组成，并在不同的卧姿时，升高到一定的高度，以适应人体所需的生理曲度。也就是说，枕头应由颈部和头部两部分构成，在不同的卧姿条件下，分别调节颈部与头部的高度。

为此，本发明涉及的枕头的通体式多元结构气囊，由颈部气囊和头部气囊组成，而颈部气囊和头部气囊则各有3组独立的气囊，形成颈部与头部独立的控制***，进行分别控制和调节。

(3)解决不同卧姿变换(横滚、平移)的智能判断问题

人体在卧姿变换(翻身)时，主要有平移和横滚两种情况。

平移的特征是，只有位置的变换，基本没有姿态的变换。

横滚的特征是，不仅有位置的变换，同时伴随着姿态的变换。

智能判断机制至少应包括如下数据：

A、实时检测头部气囊与颈部气囊的“静态”压力。

B、检测头部与颈部气囊“动态”压力，建立气囊总压力与“静态”压力与“动态”压力的关系。

C、实时检测颈部与头部的“定位”信息，为卧姿位置变换提供数据。

D、实时检测头部和颈部位置的变换，判断卧姿平移的变换。

D、实时检测头部和颈部压力值的变化与组合，判断卧姿横滚的变换。

如前所述，不同卧姿时颈部、头部受力有各自的特征，颈部与头部受力特征的组合，即可形成卧姿判断的依据。再由微处理器控制PID气泵输出的气流量与气囊内的压力值，分别将头部气囊与颈部气囊调节到预设的高度上。

由此，解决不同卧姿变换(横滚、平移)的智能判断问题，实现“随变即检”、“随姿而调”，也即自动识别卧姿并自动调节枕头高度的功能。

(4)中医古方改善或缓解使用者的病痛，并促进中药有效成分的挥发及磁疗效果

中药枕头是一种枕芯填充物为中药的枕头。明代李时珍在《本草纲目》中多次提到药枕治病的原理。

本枕头依据中医药理论，枕头在亲水高密度聚氨酯发泡塑料上方，安放颗粒状的中药垫，对使用者常见病、慢性病、亚健康等病症选用或更换相应的药枕垫，改善或缓解使用者的病痛和症状。

在中药垫内放置超薄永磁磁石，形成磁石阵列，以提高身体的含氧量，细胞因而能恢复活力，精神更畅旺，头脑更灵活，对抗疲劳、抗幅射有很好的作用，并可有效促进人体微循环，还可对颈椎病有一定的改善作用。

(5)通体式多元结构气囊与平铺式高低设备舱，实现不同部位产生不同的膨胀系数，为“全集成”奠定基础。采用通体式多元结构气囊，主要考虑四方面的因素：一是兼顾有些使用者睡觉不老实，头部大幅度左右移动时，进入非采集、检测区域；二是根据不同卧姿颈部与头部的高度模型，通体式多元结构气囊在颈部有较大的膨胀系数，在头部则限制膨胀系数；三是通过通体式多元结构气囊与平铺式高低设备舱的结构设计，对气囊位置进行“定位”；四是对颈部与头部气囊物理位置隔离，减小颈部气囊与头部气囊的相互影响。

(6)采用平铺式高低设备舱，解决相关设备、设施“全集成”

市面上常见的气动、电动枕头多采用“外挂”的方式，将气泵、控制板、电磁阀、电源等设备独立设置，“外挂”与枕头之间再用控制线、气管、电源线连接。这种设置方式，尽管降低了气泵、电磁阀所带来的噪音，但数条控制线、气管、电源线所形成的“外挂”不仅有移动、携带的不便，也有枕头感官的影响，还容易造成气管漏气、线缆折断等问题的发生。

本发明所涉智能识别卧姿并智能调节高度的枕头，将所有的设备、设施全部集成到枕头中，实行高度集成，可有效避免“外挂”设施带来的拖挂现象。

实行枕头电气设备、设施的“全集成”，需要妥善解决较大电气器件的放置空间，解决发声器件的降噪措施，解决控制电路和其他功能电路的放置空间。同时，还要解决电磁辐射与通信通信的矛盾问题，解决电气设备的噪声时密封与散热的矛盾问题，解决个别地区经常断电需要枕头内设置储能电池，储能电池自燃或***等矛盾和安全问题，解决枕头的枕头数据与WI-FI网络传输问题，解决老年使用者没有WI-FI网络、不会使用智能手机、视力不佳看不清等问题，解决智能手机APP人机对话与显示问题，。

(7)注重枕头的易用性、适应性、舒适性等细节

外形，符合人体颈椎自然生理曲度和人体工学原理，最大程度地贴合颈部曲线。

枕芯，实行3D模具热塑定型，保证枕头的曲线外形。

手感，枕头的四周，全部采用高密度双层亲水慢回弹海绵包裹，确保枕头的手感与质感。

外套：采用拉锁的方式，保护枕头内聚氨酯发泡塑料不受损坏，保障枕头的曲面外形与枕头的质感。

枕套，在外套的外侧，设置带有制造商LOGO的横套装的枕套，可方便地拆卸，洗涤。

防螨，在慢回弹海绵自身防螨的基础上，另外设置一层防螨层。

5、有益效果

(1)采用通体式多元结构气囊，可对枕头的颈部与头部进行精准升降调适，实现自动控制，避免了机械架构带来的磨损和噪声。

一是克服了机械结构磨损和噪声的弊端。减少了机械磨损，避免了由此带来的噪声，以及润滑油带来的污染。

二是采用常见的、性能较好的TPU复合材料，使产品成本大幅度降低。

三是采用微处理器精准控制通体式多元结构气囊，可实现对颈部、头部分别调节高度。气囊不同方向的膨胀系数，可适应不同使用者、不同卧姿时人体颈椎自然生理曲度。

(2)根据使用者不同卧姿，分别精准调节头部与颈部的不同高度

按照人体工学理论，结合人的四种卧姿，诠释四种卧姿颈部和头部的受力特征，建立四种卧姿受力模型，采用微处理器控制六通道管路，利用其“学习”和存储、分析、判断功能，实行人机对话，控制通体式多元结构气囊充气量和压力值，可精准地控制头部和颈部的高度，以及头部、颈部的升降，彻底放松头、颈、肩的肌肉和神经，满足人体颈椎自然生理曲度要求，使枕头调适到舒适高度，慢慢矫正变形的颈椎和脊柱，使其最终恢复正常的生理曲度并逐步调适到“科学高度”。

(3)智慧判断卧姿和使用者的变换，提升枕头的智慧水平

建立人体卧姿变换(翻身)时横滚和平移两种模型，采用头部与颈部气囊总压力、“静态”压力与“动态”压力的算法，实现对枕面前后上下全方位的控制，在“变”中求判断、求精准。如有他人使用枕头，微处理器监测不到对应数据，提示需另行启动“学习”功能，存储个人的压力数据和高度数据，使之符合自身的生理曲度。避免了亲水高密度聚氨酯发泡塑料枕头固定高度，一般充气、机械枕头仅有的简单控制高度，普通手动控制高度等弊端。

(4)实现相关设备设施的“全集成”，避免枕头的“外挂”

针对常见枕头“外挂”过多，影响移动、携带和感官，容易造成气管漏气、线缆折断等问题，本枕头采用“全集成”的方式，实行高度集成，解决“外挂”造成的弊端；通体式多元结构气囊与平铺式高低设备舱的结构设计，可相对“固定”气囊位置，确保气囊两端的不上翘，并减小颈部气囊与头部气囊的相互影响；平铺式高低设备舱为枕头的相关设备、设施提供安置空间。

(5)实行智能手机的人机对话和数据存储与查询

实行智能手机与枕头的人机对话和自定义设置的项目有：枕头初始状态时颈部、头部高度的“学习”与设定功能，使用者睡眠时姿态变换时的“学习”与设定功能。可在智能手机上查询睡眠中翻身次数，定性评价睡眠质量，存储睡眠历史记录。并可将使用者的睡眠状况远传至监护人的智能手机上。

(6)能力提高枕头的安全性

防爆。在设备舱中设置金属盒，并在金属盒内层涂饰“刀枪不入”的超强韧防弹防***、抗磨损、抗腐蚀、抗冲击材料，可抵抗高强度冲击，防止产生自爆，提高枕头的安全性。

防燃。将所有电气设备置入设备舱内，除气泵进气管、排气管外，其他部分全部密封在设备舱内。所有线缆全部采用硅胶线，在超过1000mA的电路上设置保险管防止过流，设备舱内部温度超过60℃时自动断电。

四、附图说明

图1是智能识别卧姿并智能调节高度的枕头通体式多元结构气囊设计图

通体式多元结构气囊采用头部与颈部气室布局，分为三段颈部气囊(1)、三段头部气囊(2)和三个颈部气囊气嘴(3)、三个头部气囊气嘴(4)组成。颈部气囊内部安装有水平拉带(5)，头部气囊内部安装有三条垂直拉带(6)。

其中，三段颈部气囊(1)、三个颈部气囊气嘴(3)和对应的气管、独立电磁阀负责气囊颈部高度的升降；三段头部气囊(2)、三个头部气囊气嘴(4)和对应的气管、独立电磁阀负责头部高度的升降。

为控制气囊的膨胀系数，三段颈部气囊(1)采用水平拉带(5)的方式，限制水平方向的膨胀率，提高垂直方向的膨胀率；三段头部气囊(2)中设置3道垂直拉带(6)，由于个拉带相距较远，适当限制垂直方向的膨胀率。

为方便为颈部气囊和头部气囊相对定位，在两个气囊(1)(2)的顶面和左右侧面，用同类材料连接。

图2是智能识别卧姿并智能调节高度的枕头平铺式高低设备舱设计图

平铺式高低设备舱采用高低架构设计。设备舱中高台部分为大型设备舱(7)，主要放置气泵、电磁阀等较大器件，并提供对发声器件的降噪处理空间。设备舱较低部分为平铺设备舱(8)，主要放置各种控制电路板、通信电路板、锂电池等设备，也为枕头的功能扩展提供必要的设备安装空间。设备舱顶面的凸起“隔断”(9)，既有“定位”多元结构气囊的作用，又有减少颈部气囊与头部气囊相互影响的作用。设备舱顶面左右两侧的凸起(10)，与“隔断”(9)共同对多元结构气囊起到“定位”作用。对应两个三段气囊气嘴(3)和(4)的位置，平铺式高低设备舱(8)平面上开有6个气嘴孔(11)，所有的气管和管路沿平铺式高低设备舱下方敷设。

平铺式高低设备舱下方，设置有加强筋、安装螺柱等设施。

图3是智能识别卧姿并智能调节高度的枕头头部姿态与枕头升降控制逻辑关系图

人体头部姿态共有四种：仰卧、侧卧、半仰卧、半俯卧。

头部在枕头上的变换，主要是平移和横滚。其中，平移包括上下平移、左右平移和上下左右同时平移三种；横滚时不仅有位置上的平移，同时伴随卧姿的变换。

使用前，先对使用者各种姿态、各个位置进行舒适高度的初始“学习”，微处理器对“学习”数据进行采集和存储；当使用者任意姿态使用时，***智能检测“静态”压力和“动态”压力，通过微处理器的算法，与“学习”数据进行对比、分析、判断，确定使用者的准确姿态；通过对两个三段多元结构气囊(1)、(2)和PID控制PWM气泵流量和充放气时间，以及空气压力传感器检测到的压力值，分别将两个三段气囊的充气压力值达到预设值，即将头部、颈部和整体高度自动地调节到预设的舒适高度；在卧姿发生“横滚”的变换时，颈部气囊(1)、头部气囊(2)分别充气、排气，可将不同卧姿时头部与颈部调节到舒适高度。

图4是智能识别卧姿并智能调节高度的枕头“全集成”整体结构图

智能识别卧姿并智能调节高度的枕头共由11层构成。其中：

第一层，是横套装的枕头套(12)。拆洗时可以从两边抽下来，随时可洗。

第二层，是防螨垫(13)。具有良好的防螨作用。

第三层，是中药药垫和超薄型烧结铁氧体永磁阵列(14)。可改善亚健康症状，促进人体微循环。

第四层，是带拉锁的枕头套(15)。拉锁的开口处在枕头的后下方，带有防拆卸塑料“铅封”，使用者自行拆卸时，可引发所有单片机源代码的自行销毁。

第五层，是高密度亲水聚氨酯发泡塑料“外壳”(16)。将整个枕头的上、前、后、左和右等五个面，全部用亲水高密度聚氨酯发泡塑料“包裹”起来，增强手感和舒适度。

第六层，是通体式TPU多元结构气囊(17)。由三段颈部气囊和三段头部气囊组成，6个对应的气嘴设置在气囊的下方。

第七层，是金属防辐射材料罩(18)。防止电气设备的电磁辐射对大脑产生影响，对电磁信号有30DB以上的衰减。

第八层，是ABS平铺式高低设备舱(19)。ABS材质的平铺式高低设备舱分高低两部分，以适应不同体积设备的安装需要。

第九层，电气设备(20)。包括：主控板，功能板、气泵、电磁阀、锂电池和空气压力传感器等设备、设施全部置入平铺式高低设备舱内，实现枕头“全集成”。其中，锂电池装入金属盒内，盒子的内层涂饰有“刀枪不入”的超强韧防弹、防***、抗冲击材料。并预留部分其他功能扩展板的空间。

第十层，是底板(21)。用于固定电气设备(20)和ABS平铺式高低设备舱(19)。

第十一层，是底板下方的防护海绵(22)。增强枕头的手感与质感。

图5是智能识别卧姿并智能调节高度的枕头智能手机(平板电脑)用户人机对话及显示功能拓扑图

对于智能手机用户，默认的网络环境条件是：具有WI-FI网络，枕头使用者和监护人均使用智能手机。智能手机用户条件下，使用者可直接使用智能手机与枕头实行人机对话，并通过WI-FI网络与监护人智能手机实现监护数据的互联互通。

智能手机用户为常见模式。如图5所示。即有WI-FI网络和路由器(23)，有智能手机(24)。由枕头内的WI-FI模块(25)与无线路由器(23)直接连接，进入互联网，监护人通过智能手机APP(26)，建立与使用者与监护人睡眠数据的通信。

非智能手机用户默认的网络环境条件是：没有智能手机、不会使用智能手机APP、没有WI-FI网络、使用者视力不佳，监护人可使用智能手机。定义为非智能手机(平板电脑)显示与语音播报用户。

非智能手机(平板电脑)用户，具有智能手机用户的全部功能，使用者可使用平板电脑(27)与枕头内置WI-FI(25)通信，实现人机对话。人机对话完成后，可关闭平板电脑(27)的人机对话功能，实行滚动显示或语音播报，通过平板电脑(27)了解自己睡眠的状况。

非智能手机(平板电脑)显示与语音播报用户条件下，用户与监护人智能手机的通信，有两种方案选择，如图5所示。

方案一：“蹭网”方式。加强型WI-FI放大器(28)采用USB升级版远距离WI-FI放大器，直接切入公共免费WI-FI网络(29)。加强型WI-FI放大器的另一端，直接接入平板电脑(27)的USB接口。由此建立非智能手机(平板电脑)用户与监护人的智能手机(30)的互联互通，实现对被监护人睡眠数据的监护。

方案二：公网方式。由平板电脑(27)直接接入2G/3G/4G无线移动网络(31)，建立非智能手机(平板电脑)用户与监护人的智能手机(30)的互联互通，实现对被监护人睡眠数据的监护。

五、具体实施方式

本发明智能识别卧姿并智能调节高度的枕头，结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

1、对枕头进行整体功能设计

根据现实生活枕头使用中存在的相关问题，提出枕头整体功能设计。

(1)采用通体式多元结构气囊的垂直膨胀率设计，能够适用于不同形态的使用者；

(2)采用通体式多元结构气囊头部与颈部分别充气、排气，使枕头能够适用于使用者不同卧姿时，头部与颈部的舒适高度的升降；

(3)建立头部与颈部受力模型，为姿态判断提供了基础；

(4)对颈部与头部位置进行实时感知，确认新的平移、横滚后的位置，建立卧姿变换的算法；

(5)智能检测“静态”压力和“动态”压力，建立微处理器的算法，确定使用者新的睡眠姿态的准确判断；

(6)新的姿态确定后与微处理器“学习”数据进行对比、分析、判断的算法，实现姿态变换后，使头部与颈部气囊压力与气囊高度的随之而变。

(7)辅助的中药垫和永磁磁石阵列，确定适用于改善使用者的血液循环，减轻、改善患者的药方、剂量、位置等。

2、采用3D建模，进行精准设计

结合市售枕头的弊端，实行“全集成”，将所有的零部件全部集成到枕头中。囿于枕头体积、重量、质感，采用3D建模进行精准设计。

一是“三线”3D设计。根据人体颈椎生理曲度和人体工程学，经CATIA软件精确计算枕头的每一个点的高度，建立颈椎支撑线、颈椎牵引线、肩颈贴合线，通过枕头内的设备罩、气囊、枕芯、枕套使颈椎支撑线、颈椎牵引线、肩颈贴合线“三线”实现完美重合，缓冲翻身时枕头高度“突变”，减轻颈椎病人翻身时的“突变”带来的痛苦，突出舒适性，提高睡眠质量。

二是通体式多元结构气囊3D设计。在“三线”重合的宏观要求下，对气囊的尺寸、两个气囊的垂直膨胀率、气嘴位置、拉带位置及方向，进行精确设计与试验。

三是平铺式高低设备舱架构3D设计。平铺式高低设备舱的外形、气囊的外形，要与枕头慢回弹海绵的凹槽形状完全一致，无缝衔接，并要考虑气泵、电磁阀等较大设备的安装空间与降噪空间，还要考虑各个控制电路板的分布空间，以及设备舱的抗冲击强度。

四是枕头各个层间结构3D设计。按照相关的设备、设施的功能，主要是对枕头11层的结构，以及层间结构的精细设计和无缝衔接。

五是空间与质量3D设计。将设备、设施的材质、外形尺寸、体积，元器件、零部件进行重量设计。

3、建立不同卧姿条件下头部与颈部高度的模型

通常，人的卧姿可分为仰卧、侧卧、俯卧、半仰卧、半俯卧五种姿态。其中半仰卧、半俯卧属于仰卧和俯卧的过渡性姿态，与典型的仰卧和侧卧相比，均有“度”的变化。俯卧是一种不健康的卧姿，不主张采用，也不在考虑之列。

A、仰卧时颈部与头部受力特征

人体工程学研究认为，人体在仰卧时，枕头需要“枕”(支撑)的部位并不是头部，而是颈部，头部只需微微抬高，即可达到人体腰椎、颈椎的生理曲度。即，仰卧时颈部受力大，而头部受力小。高度关系为颈部高，头部低。

B、侧卧时颈部与头部受力特征

人体工程学认为，人体在侧卧时，人体脊椎、颈椎应处于“水平”状态，也即颈椎应处于“水平”状态。由于脊椎的“挑动”作用，加之头部处于脊椎和颈椎的顶端，相对于仰卧，颈部受力较小，头部受力较大。高度关系为颈部次低，头部次高。

C、半侧卧时颈部与头部受力特征

半侧卧时，颈部、头部与枕头受力介于仰卧和侧卧之间。使用者的脊椎、颈椎接近“水平”状态。相对于仰卧，颈部受力稍小，相对于侧卧，颈部受力稍大；相对于仰卧，头部受力稍大，相对于侧卧，头部受力受力稍小。高度关系为颈部次高，头部次低。

D、半俯卧时颈部与头部受力特征

半俯卧时颈部基本不受力，头部受力最大。高度关系为颈部低，头部高。

不同卧姿颈部、头部受力特征与高度模型如表1所示。

表1不同卧姿颈部、头部受力特征与高度模型

通过以上颈部与头部受力关系和高度关系，在保持一定的容差度的条件下，通过三段头部气囊与三段颈部气囊的布局，在分别充气、分别排气时，控制头部和颈部的充气量和压力值(颈部的“动态”压力值Δ_仰、Δ_侧、Δ_半仰、Δ_半俯与头部的“动态”压力值δ_仰、δ_侧、δ_半仰、δ_半俯的组合。)可以明显地判断出仰卧、侧卧、半仰卧、半俯卧时的姿态。枕头的微处理器将各种姿态下的颈部“动态”压力数据Δ和头部“动态”压力数据δ，以“学习”的方式，预先存储在数据库中；使用者在使用枕头时，经过压力传感器的实时检测，并与存储数据的对比、分析、判断，以此判断变换后的新的姿态。

4、卧姿以及卧姿变换所产生的“变量”

人体卧姿和头部姿态的“变量”，主要有位置平移、横滚、压力消失和非使用者使用枕头。

(1)平移的“变量”。平移的特征是，只有位置的变换，基本没有或完全没有姿态的变换。位置的“变量”包括上、下、左、右的单项位置平移，也包括上下与左右位置变换的组合。

(2)横滚的“变量”。横滚的特征是，不仅有位置的变换，同时伴随着姿态的变换。包括上、下、左、右的单项位置平移，也包括上下与左右位置变换的组合，还包括仰卧、半仰卧、侧卧和半俯卧姿态的相互变换。

(3)与姿态变换相对应的“变量”。包括枕头初始化后，颈部与头部气囊内的静态压力，姿态变换前，颈部与头部气囊内的“静态”压力；还包括使用枕头后，颈部与头部气囊内产生的“动态”压力，姿态变换后，颈部与头部气囊内所产生的颈部与头部新的“动态”压力。

(4)压力消失“变量”。包括使用者半夜起床、清晨起床等颈部与头部气囊压力消失等情况。

(5)非使用者使用枕头“变量”。主要指其他人使用使用者的枕头的特殊情况。但体态、体型相同或接近，在容差值以内者除外。

5、不同卧姿变换(横滚、平移)“变量”的智能判断

姿态智能判断机制如下：

(1)实时检测枕头头部气囊与颈部气囊的“静态”压力。在三段颈部气囊与三段头部气囊的另一端，安装有六个空气压力传感器。在使用初始化时，枕头首先检测颈部气囊与头部气囊的“静态”压力值。“静态”压力由初始化后颈部气囊与头部气囊内的固有气体压力，或姿态变换前的气体压力构成。颈部“静态”压力用P_静表示，头部“静态”压力用p_静表示。

(2)检测头部与颈部总压力。启动头部与颈部“动态”压力检测机制后，可检测到颈部气囊与头部气囊内的总压力。颈部总压力用P_总表示，头部总压力用p_总表示。

(3)建立头部与颈部气囊的“动态”压力算法。头部与颈部气囊的总压力，由气囊内的“静态”压力与“动态”压力两部分组成。通过对颈部与头部气囊总压力的检测，减去颈部与头部的“静态”压力，所形成的压力值，即为颈部与头部的“动态”压力值。颈部压力用Δ_X表示，头部“动态”压力用δ_X表示。

(4)实时检测颈部与头部的“定位”信息。在使用枕头后，颈部与头部对气囊产生的压力，通过六个空气压力传感器，可检测到对应的颈部与头部气囊的“动态”压力，确定对应位置，实现对颈部与头部位置的“定位”检测。

(5)实时检测头部和颈部位置的变换。当发生“平移”时，即头部与颈部位置变换时，对应的头部与颈部气囊受到压迫，所对应的空气压力传感器检测到的压力值发生明显变化，产生位置变换的“动态”压力，判断使用者卧姿发生平移。

(6)实时检测头部和颈部压力值的变化，判断卧姿的变换。当发生“横滚”时，即头部与颈部位置的变换，同时伴随着姿态变换时，对应的头部与颈部气囊受到压迫，所对应的空气压力传感器检测到的压力值发生明显变化，产生位置变换的“动态”压力，判断使用者卧姿发生平移；通过对对应位置颈部气囊与头部气囊压力值的增减，结合头部与颈部高度模型中的压力组合，所产生的与前一时刻不同的“动态”压力组合，判断使用者卧姿发生变换。

其中，“动态”压力由使用枕头后的头部与颈部对气囊的空气压力构成。数学表达式为：

其中：P_总--颈部气囊的总压力

P_静--颈部的“静态”压力，由使用前的压力或姿态变换前的压力构成

Δ_X--头部气囊的“动态”压力，分别由Δ_仰、Δ_侧、Δ_半仰、Δ_半俯构成

p_总--头部气囊的总压力

p_静--头部气囊的“静态”压力，由使用前的压力或姿态变换前的压力构成

δ_X--头部气囊的“动态”压力，分别由δ_仰、δ_侧、δ_半仰、δ_半俯构成

通过对颈部气囊总压力的检测，减去颈部气囊的“静态”压力，所形成的Δ_仰、Δ_侧、Δ_半仰、Δ_半俯压力值，即为颈部气囊“动态”压力值。

通过对头部气囊总压力的检测，减去头部气囊的“静态”压力，所形成的δ_仰、δ_侧、δ_半仰、δ_半俯压力值，即为头部气囊“动态”压力值。

通过对《不同卧姿颈部、头部受力特征与高度模型》(参见表1)中不同姿态下Δ与δ的组合，微处理器即可判断出人体的实时睡眠姿态，再由微处理器控制PID输出，控制气泵的充气量和气囊内的压力值，分别将头部气囊与颈部气囊调节到预设的“学习”高度上。

由此，解决不同卧姿变换(横滚、平移)的智能判断问题，实现“随变即检”、“随姿而调”，也即自动识别卧姿并自动调节枕头高度的功能。

6、完善姿态“变量”算法，精准判断姿态变换

行为学研究认为，80％以上的人在上床睡觉时，使用枕头的第一个动作为仰卧姿态。

逢变即检。如图3所示，在使用者使用枕头时，枕头首先进行初始化，将三段气囊(1)、(2)内的数据默认为仰卧姿态的颈部与头部数据，构成气囊的“静态”压力数据P_静。当使用者的颈部与头部发生平移或横滚等姿态变换时，压力传感器检测到新的压力和压力位置，枕头感知到新的“变量”产生，即启动气囊空气压力检测。

随姿而调。当气囊检测到新的总压力P_总后，微处理器将P_总-P_静，分别算出颈部Δ_X压力数据和头部δ_X压力数据，再对照《不同卧姿颈部、头部受力特征与高度模型》(表1)中Δ_X与δ_X组合，准确判断出新的卧姿。微处理器在判断出姿态变换后新的卧姿之后，与微处理器存储的“学习”数据相对比，在保持一定容差度的条件下，再将颈部与头部的三段气囊(1)、(2)充气或排气，通过微处理器和PID控制气泵、气嘴(3)和(4)、气管、电磁阀、空气压力传感器，将两个气囊内的空气压力，调整到“学习”的压力数据上，最终将颈部与头部的高度和整体高度调整到“学习”的舒适高度上。

随人而变。人体有大、小、胖、瘦、高、矮之分，头部的压力特征也各不相同。当他人使用枕头时，微处理器检测到的颈部与头部的压力数据，超越容差度后，无法找到微处理器存储的对应“学习”数据，对比、分析、判断失败，提示需另行启动“学习”功能。更换枕头使用者，需重新建立、存储个人的压力数据和高度数据。使用者的体态相似，各类数据没有超越在微处理器设定的数据容差度，枕头默认仍为原使用者。

位变不变。当发生平移“变量”，也即使用者头部发生平移(仅有位置变化，没有姿态变化)，包括左右平移、上下平移、上下左右平移时，压力传感器检测到产生新的“变量”，由本组颈部气囊与头部气囊的压力，变为另一组颈部气囊与头部气囊的压力，按照***“逢变即检”的机制，检测出新的颈部Δ_X压力数据和头部δ_X压力数据，对照《不同卧姿颈部、头部受力特征与高度模型》(参见表1)中不同姿态下Δ与δ的组合，在***容差度之内，微处理器即可分析、判断为头部平移，无姿态的变化，保持原有气囊压力和枕头高度不变。

姿变必变。当发生横滚“变量”，也即当使用者头部发生横滚(不仅有位置变化，同时还伴随着姿态变化)，包括左右平移、上下平移、上下左右平移和仰卧、侧卧、半仰卧、半侧卧相互变换，颈部和头部的压力数据发生明显的变化。按照***“逢变即检”的机制，检测出颈部Δ_X压力数据和头部δ_X压力数据在***容差度之外，对照《不同卧姿颈部、头部受力特征与高度模型》(参见表1)中不同姿态下Δ与δ的组合，微处理器即可分析、判断为头部发生“横滚”，姿态发生变化。再按照***“随姿而调”的机制，将颈部与头部的高度和整体高度调整到“学习”的舒适高度上，达到准确掌握人体姿态的目的。

定时待机。当发生压力“变量”消失，也即当使用者半夜起床、清晨起床等情况，枕头各颈部与头部气囊“动态”压力消失，按照***设置的“逢变即检”的机制，微处理器只能检测到三段气囊的“静态”压力，微处理器判断为使用者起床。按照***代码中的设置，在枕头“空载”10分钟内，再次检测到三段气囊的“动态”压力产生，***默认为半夜起床；按照***代码中的设置，在枕头“空载”10分钟后仍没有检测到颈部与头部三段气囊的“动态”压力数据，结合天文时间，即判断为使用者正式起床，自动关闭无关***的电源，微处理器以待机方式，等待使用者下次使用枕头时，对枕头内建***“唤醒”。

7、根据“变量”算法，精准控制枕头的升降

根据空气流体力学原理，结合各种卧姿颈部与头部的受力模型与特征，本发明将一个大气囊结构分解为通体式多元结构气囊，进行颈部、头部高度的分布式管理。

气囊分布式管理的机制，将气囊分为三段颈部气囊(1)和三段头部气囊(2)，采用独立气嘴、独立气管、独立电磁阀、独立空气压力传感器，进行独立控制。如图1所示，通体式多元结构气囊分为三段颈部气囊(1)，三段头部气囊(2)和三个颈部气囊气嘴(3)、三个头部气囊气嘴(4)，由6个电路、6条气路分别控制。

使用前，枕头的使用者应首先进行“学习”。由使用者分别以仰卧、半仰卧、侧卧和半俯卧时的头部姿态，通过智能手机APP与枕头进行人机对话，调整颈部三段气囊与头部三段气囊(1)、(2)，与之对应的三个气嘴(3)、(4)，气管、气泵和电磁阀的空气压力传感器的检测，实行分别充气、排气，控制颈部与头部气囊高度的升降，将枕头的高度调整到舒适高度和科学高度，并将各类数据记录、存储到储存器中。

使用时，枕头通电开机后，进行初始化，对通体式多元结构气囊中颈部和头部三段气囊(1)、(2)分别按照仰卧姿态压力数据进行自检，形成两个气囊的“静态”压力。

当使用者的颈部与头部压在枕头上之后，枕头通过压力传感器检测三段气囊(1)、(2)的总压力。微处理器自动将气囊(1)、(2)总压力减去“静态”压力，计算出三段气囊(1)、(2)的“动态”压力，再对照“学习”数据，判断实时姿态，在微处理器PID控制下，分别充气、排气可控制三段气囊(1)、(2)的压力，使三段气囊(1)、(2)发生垂直方向生的膨胀率，以适应仰卧、侧卧、半仰卧、半侧卧等不同姿态时颈部与头部高度的需要，使之达到颈椎生理曲度的要求。

使用过程中使用者的随机姿态，通过压力传感器自动感知使用者各种卧姿颈部、头部所需整体高度，通过检测气囊总压力、“静态”压力、“动态”压力，判断实时姿态，再将实时的“动态”压力数据与存储数据的对比、分析，通过调整三段气囊(1)、(2)的压力和垂直方向的膨胀率，调节三段气囊(1)、(2)的高度升降，以适应仰卧、侧卧、半仰卧、半侧卧等不同姿态时整体高度的需要。

控制通体式多元结构气囊充气量和压力值，可精准地控制头部和颈部的高度，以及头部、颈部的升降，彻底放松头、颈、肩的肌肉和神经，满足人体颈椎自然生理曲度要求，使枕头调适到舒适高度，慢慢矫正变形的颈椎和脊柱，使其最终恢复正常的生理曲度。

8、感知枕头数据，对睡眠质量进行定性的智慧评价

作为睡眠***的枕头，通过通体式多元结构气囊、气嘴、气管、电磁阀室、电磁阀、空气压力传感器和气泵、微处理器，以及对2个三段气囊压力的检测，可判断使用者翻身次数、起床次数、睡眠时间、深度睡眠时间、疲劳度等睡眠数据，对使用者的睡眠质量进行定性的智慧评价。

按照***代码中设置的逢变即检、随姿而调、随人而变、位变不变、姿变必变和定时待机的管理机制，可以记录使用者翻身的次数、起床次数和每一睡眠姿态的持续时间；按照***代码中的设置，在枕头“空载”10分钟内，视为连续使用，超过10分钟为再次使用，以及天文时钟的判断，从初始化到枕头“空载”时间，一次判定使用者的睡眠时间；通过使用者的翻身次数，以30分钟为界，每30分钟内翻身一次，视为浅度睡眠；30分钟以上无翻身，视为深度睡眠。通过睡眠时间的翻身次数，整体定性地判断疲劳度，也可以通过翻身次数，推断使用者的身体状况。

9、中医古方改善或缓解使用者的病痛

中药枕头是一种枕芯填充物为中药的枕头。中药枕就是改善睡眠的一项重要措施。明代李时珍在《本草纲目》中曾多次提到药枕治病的原理。

本枕头依据中医药理论，枕头在亲水高密度聚氨酯发泡塑料上方，安放颗粒状的中药垫14，对使用者常见病、慢性病、亚健康等病症选用或更换相应的药枕垫，改善或缓解使用者的病痛和症状。

在中药垫内下方，还放置了Φ5*1mm，按20*30mm间距的Y30烧结铁氧体永磁磁石，形成磁石阵列，以提高身体的含氧量，细胞因而能恢复活力，精神更畅旺，头脑更灵活，对抗疲劳、抗幅射有很好的作用，并可有效促进人体微循环，对颈椎病有很好的改善作用，对使用者常见病、慢性病、亚健康等，可起到改善或缓解作用。

10、妥善解决枕头相关设备、设施“全集成”带来的安全问题

本发明所涉的枕头将所有的设备、设施全部集成到枕头中，实行高度集成，可有效避免“外挂”设施带来的拖挂现象。

一是妥善降噪。为妥善解决枕头气泵、电磁阀等气动器件所产生的响声，将气泵、电磁阀等产生噪音的设备，置入图2中的ABS平铺式高低设备舱的高台(7)内，实行阻性降噪；在设备舱内用发泡材料悬浮“固定”气泵、电磁阀等发声器件，并由发泡材料吸音，实行吸声降噪；加长进气管和排气管的长度，实行扩散降噪；对安装有气泵、电磁阀等振动器的设备舱安装抗震垫，实行减振降噪。通过以上四项措施，可将枕头内的机械噪声控制在25DB。

二是重点防火防爆。将枕头内设的锂电池装入金属盒内，置入图2中ABS平铺式高低设备舱的平铺低台(8)内，并在金属盒外层涂饰超强韧防弹防***、防火、抗磨损、抗腐蚀、抗冲击的材料，可抵抗TNT***等高强度冲击，提高枕头的安全性。并在大容量电容器外表涂饰高强度的防爆材料，防止产生自燃、自爆。

三是注重高温自燃。所有线缆全部采用硅胶线，在超过1000mA的电路上设置保险管防止过流，枕头内部温度超过60℃时自动断电，并将所有带电设备进行抗燃烧的密封。

四是做好防辐射。在枕头平铺式高低设备舱顶面表面，敷设金属纤维面料(18)，可从正面抵挡微波信号、高频信号等辐射源所发出的90％以上的电磁辐射，对电磁辐射有30DB以上的衰减，以此减少电气设备对人体的电磁辐射。

五是备好电源。考虑部分地区有经常市电停电情况，枕头内置15000mAH/2s/5c/7.4V聚合物锂电池，为枕头供电，并留有充电接口。

11、注重枕头的功能性和舒适度

枕头内的设备罩、气囊全部实行曲线设计，最大程度地贴合颈部曲线。

外形：根据人体颈椎自然生理曲度和人体工程学，枕头的设备罩、气囊、亲水高密度聚氨酯发泡塑料“外壳”(16)，全部经CATIA软件精确计算出每一个点的高度，建立颈椎支撑线、颈椎牵引线、肩颈贴合线，并通过枕头内的设备罩、气囊、枕芯、枕套使颈椎支撑线、颈椎牵引线、肩颈贴合线“三条线”实现完美重合，缓冲翻身初期的高度“突变”，减轻颈椎病人由“突变”带来的痛苦，提升枕头的舒适性，提高睡眠质量。枕头的四周，也使用慢回弹海绵包裹，保持枕头的曲线外形。

枕芯：枕头正面采用高密度亲水聚氨酯发泡塑料“外壳”(16)，实行3D模具热塑定型，保证枕头的曲线外形，消除因不正确的睡姿而产生的疲劳及酸痛及睡眠障碍。同时，当头颈部接触到枕头表面时，枕头收到压力缓慢下沉，记忆棉材质细胞此时会慢慢膨胀，在包裹头部的同时，吸收压力并释放压力，避免颈椎病患者在使用枕头时发生“巨变”所带来的痛苦。

气囊：如图1所示，采用通体式多元结构气囊兼顾睡觉不老实的使用者；如图4所示，通体式多元结构气囊(17)随枕头外形，实现“三线合一”；通体式多元结构气囊与平铺式高低设备舱(19)实行浅度镶嵌，对气囊起到“定位”作用。

设备舱：如图2所示，采用平铺式舱体，并考虑到设备的体量，实行高低架构，兼顾功能提升后的设备空间。设备舱的材质，使用ABS材料压铸而成，确保设备舱的强度，底板(21)与平铺式高低设备舱(19)用螺钉与螺柱连接，保护电路板及设备(20)不受损坏。

手感：枕头的四周，采用高密度亲水聚氨酯发泡塑料“外壳”(16)进行五面包裹，并在底板(21)的下方设置防护海绵(22)，确保枕头的手感与质感。

外套：材质选用天鹅绒弹力3D面料、带拉锁的枕头套(15)，采用拉锁的方式，保护枕头内部高密度亲水聚氨酯发泡塑料“外壳”(16)不受损坏，保障枕头的曲面外形与枕头的质感。

枕套：在带拉锁枕头套(15)的外侧，设置带有LOGO的横套装的枕头套(12)，可方便地拆卸，洗涤。

防螨。在慢回弹海绵自身防螨的基础上，另外在外套和枕套之间，设置一层防螨杀菌垫层(13)。

防拆卸：在带拉锁枕头套(15)的拉锁处，设置细小的尼龙“铅封”。当使用者自行拆开枕头时，枕头能够及时向后台报告使用者的基本信息，并“自毁”枕头中的各类软件代码。

12、枕头的物理层间实行紧密、定型的结构化设计

智能识别卧姿并智能调节高度的枕头共由11层构成。如图4所示。其中：

第一层，是横套装的枕头套(12)。拆洗时可以从两边抽下来，随时可洗。

第二层，是防螨垫(13)。具有良好的防螨作用。

第三层，是中药药垫和超薄型烧结铁氧体永磁阵列(14)。可改善亚健康症状，促进人体微循环。

第四层，是带拉锁的枕头套(15)。拉锁的开口处在枕头的后下方，带有防拆卸塑料“铅封”，使用者自行拆卸时，可引发所有单片机源代码的自行销毁。

第五层，是高密度亲水聚氨酯发泡塑料“外壳”(16)。将整个枕头的上、前、后、左和右等五个面，全部用亲水高密度聚氨酯发泡塑料“包裹”起来，增强手感和舒适度。

第六层，是通体式TPU多元结构气囊(17)。由三段颈部气囊和三段头部气囊组成，6个对应的气嘴设置在气囊的下方。

第七层，是金属防辐射材料罩(18)。防止电气设备的电磁辐射对大脑产生影响，对电磁信号有30DB以上的衰减。

第八层，是ABS平铺式高低设备舱(19)。ABS材质的平铺式高低设备舱分高低两部分，以适应不同体积设备的安装需要。

第九层，电气设备(20)。包括：主控板，功能板、气泵、电磁阀、锂电池和空气压力传感器等设备、设施全部置入平铺式高低设备舱内，实现枕头“全集成”。其中，锂电池装入金属盒内，盒子的内层涂饰有“刀枪不入”的超强韧防弹、防***、抗冲击材料。并预留部分其他功能扩展板的空间。

第十层，是底板(21)。用于固定电气设备(20)和ABS平铺式高低设备舱(19)。

第十一层，是底板下方的防护海绵(22)。增强枕头的手感与质感。

13、智能手机(平板电脑)用户人机对话及APP功能

(1)设置功能

仰卧姿态颈部高度“学习”与自定义设置

仰卧姿态头部高度“学习”与自定义设置

侧卧姿态颈部高度“学习”与自定义设置

侧卧姿态头部高度“学习”与自定义设置

半仰卧姿态颈部高度“学习”与自定义设置

半仰卧姿态头部高度“学习”与自定义设置

半俯卧姿态颈部高度“学习”与自定义设置

半俯卧姿态头部高度“学习”与自定义设置

监护人监护项目自定义设置

睡眠质量自定义设置与修改

各类数据调阅权限自定义设置

(2)记录功能

卧床时长记录

翻身次数记录

卧姿保持时长记录

睡眠质量记录

(3)定性评价功能

睡眠质量评价与提示

疲劳度评价与提示

(4)统计与查询功能

平均翻身次数统计

当日翻身次数查询

翻身次数历史记录查询

各种睡眠姿态平均时长统计

当日卧姿持续时长查询

各种卧姿历史记录查询

睡眠质量统计

睡眠质量历史记录查询

14、WI-FI网络通信***的搭建与智能手机用户人机对话

对于智能手机用户，默认的网络环境条件是：具有WI-FI网络，枕头使用者和监护人均使用智能手机。智能手机用户条件下，使用者可直接使用智能手机与枕头实行人机对话，并通过WI-FI网络与监护人智能手机实现监护数据的互联互通。

智能手机用户为常见模式。如图5所示。即有WI-FI网络和路由器(23)，有智能手机(24)。由枕头内的WI-FI模块(25)与无线路由器(23)直接连接，进入互联网，监护人通过智能手机APP(26)，建立与使用者与监护人睡眠数据的通信。

15、非智能手机(平板电脑)用户“转发”通信功能

非智能手机用户默认的网络环境条件是：没有智能手机、不会使用智能手机APP、没有WI-FI网络、使用者视力不佳，监护人可使用智能手机。定义为非智能手机(平板电脑)显示与语音播报用户。

非智能手机(平板电脑)用户，具有智能手机用户的全部功能，使用者可使用平板电脑(27)与枕头内置WI-FI(25)通信，实现人机对话。人机对话完成后，可关闭平板电脑(27)的人机对话功能，实行滚动显示或语音播报，通过平板电脑(27)了解自己睡眠的状况。

非智能手机(平板电脑)显示与语音播报用户条件下，用户与监护人智能手机的通信，有两种方案选择，如图5所示。

方案一：“蹭网”方式。加强型WI-FI放大器(28)采用USB升级版远距离WI-FI放大器，也称WI-FI无线接收网卡和内置高增益天线，直接切入公共免费WI-FI网络(29)。加强型WI-FI放大器的另一端，直接接入平板电脑(27)的USB接口。由此建立非智能手机(平板电脑)用户与监护人的智能手机(30)的互联互通，实现对被监护人睡眠数据的监护。

方案二：公网方式。由平板电脑(27)直接接入2G/3G/4G无线移动网络(31)，建立非智能手机(平板电脑)用户与监护人的智能手机(30)的互联互通，实现对被监护人睡眠数据的监护。但此方案将会产生大量的网络费用。

本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施例相同或近似的气囊与设备舱结构、《受力特征与高度模型》、智能判断机制和姿态“变量”算法而形成的其他结构的设计、建立的模型、实施的判断，采用的算法，或在本发明的精神和原则之内所作的任何数量修改、等同替换、外形改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种智能识别卧姿并智能调节高度的枕头，其特征在于对使用者睡眠时的仰卧、半仰卧、侧卧和半俯卧等卧姿和头部姿态，经过微处理器、通体式多元结构气囊以及6套独立的空气压力传感器，对颈部与头部气囊压力数据的实时检测与采集，建立不同卧姿条件下颈部与头部气囊空气压力模型，形成头部与颈部高度的组合关系，作为对应的卧姿判断的基础；通过智能手机APP与枕头的人机对话，再通过气泵、气囊、气嘴、气管、电磁阀、空气压力传感器，以及微处理器的PID控制气泵的流量和充气(排气)量，建立并存储使用者各种姿态下颈部与头部气囊压力的“学***移、空置等变化时，按照***的智能判断机制、“变量”与“变量”算法，重新将实时姿态下颈部气囊与头部气囊压力数据，与颈部和头部气囊存储的压力“学习”数据进行分析、对比、判断，智能地判断使用者新的实时姿态，再通过气泵、气嘴、气管、电磁阀，以及微处理器的算法和PID控制气泵的流量和充气、排气量，将颈部气囊与头部气囊压力数据智能地调节到存储的压力“学习”数据上，也即将新的实时姿态的颈部气囊与头部气囊高度分别调节到新的对应姿态、符合使用者生理曲度的舒适高度。

2.根据权利要求1所述的智能识别卧姿并智能调节高度的枕头，其特征在于为实现智能识别卧姿并智能调节高度的枕头的控制功能所建立的不同卧姿颈部、头部受力特征与高度模型，针对卧姿以及卧姿变换所提出和产生的“变量”种类，不同卧姿变换(横滚、平移)“变量”的智能判断机制，以及针对枕头所提出的逢变即检、随姿而调、随人而变、位变不变、姿变必变和定时待机姿态“变量”算法。

3.根据权利要求1或2所述的智能识别卧姿并智能调节高度的枕头，其特征在于为实现智能识别卧姿并智能调节高度枕头的控制功能所构建的平铺式多元结构气囊，由三段颈部气囊和三段头部气囊组成；其中三段颈部气囊和内设拉带，以及与之配套的气嘴、气管、气泵、电磁阀和空气压力传感器构成的气动***，在微处理器的控制下，负责颈部气囊压力数据的检测、存储、分析、对比，判断，具有颈部在枕头上物理位置的检测功能、调节气囊高度功能、增大水平膨胀率的功能；三段头部气囊和内设拉带，以及与之配套的气嘴、气管、气泵、电磁阀和空气压力传感器构成的气动***，在微处理器的控制下，负责头部气囊压力数据的检测、存储、分析、对比，判断，具有头部在枕头上物理位置的检测功能、调节气囊高度功能、减小水平膨胀率的功能；三段颈部气囊与三段头部气囊压力数据的组合，可判定使用者的卧姿，并按照压力“学习”数据，智能地将颈部高度和头部高度调节到不同卧姿时的舒适高度，使之满足颈椎生理曲度的要求。

4.根据权利要求1或2或3所述的智能识别卧姿并智能调节高度的枕头，其特征在于为实现智能识别卧姿并智能调节高度枕头所有设备、设施纳入平铺式高低设备舱内，实行“全集成”，可有效避免“外挂”带来的拖挂，方便移动与携带，提升枕头的外在感官；所设置的平铺式高低设备舱，为气泵、电磁阀等较大设备提供了安装空间和降噪空间，为多个电路、气路提供了敷设空间，为平铺式多元气囊提供了“定位”设施，为枕头功能的提升提供设备空间。